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最“懒惰”元素终于“脱单”:中外团队宣布合成钠氦化合物

上一篇 下一篇 技联在线 发表于:2017-02-13 13:05 浏览(1170)

一个中外联合团队在《自然》上发文,宣布在113Gpa的压强下合成一个中外联合团队在《自然》上发文,宣布在113Gpa的压强下合成惰性气体He的稳定化合物Na₂He

Na₂He.webp.jpg

门捷列夫周期表的最右一列是一个特殊的“单身狗”家族,它们被称为惰性气体,包括氦、氖、氩、氪、氙、氡,和最新合成的Uuo7种元素。它们的化学性质很不活泼,一般不与其他元素发生化学反应,在自然状态下都以单质形态存在。此前,化学家们陆续合成了几种惰性气体的化合物,但最难攻克的氦(He)化合物仍处于理论阶段。近日发表在《自然》杂志的一篇论文宣布,包括南开大学、南京大学、西北工业大学、中科院固体物理研究院、北京高压先进科研中心的一个国际团队以113Gpa(1Gpa=1000000千帕,标准大气压约为101千帕)的高压成功迫使He“脱单”,形成在热力学上稳定的钠氦化合物NaHe。

所有惰性气体元素外层的s轨道和p轨道电子数都已满,因而很难与其他原子共用电子对形成化合物。直到20世纪,化学家们都认为惰性气体化合物并不存在,这也是惰性气体名字的由来。

s轨道和p轨.webp.jpg


美国化学家莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)在1933年时预测,原子序数较大的惰性气体元素有可能与氟和氧生成不稳定的化合物。这是由于,原子序数较大的惰性气体元素的外层电子距离原子核较远,电离能较小,更容易挣脱束缚。现在,氙,氪和氡等元素已经在超高压下形成新化合物。然而,惰性气体家族的老大氦,不同于其他惰性气体元素外层有8个电子,它只有2个电子,电子亲和能几乎为零,电离能非常高,此前氦的化合物只在理论上存在,在过往实验中,He在高达800Gpa的压强下也未能与氧或氟发生化学反应。

既然最活泼的几个非金属元素都不行,这次,研究者们决定尝试一下最活泼的金属之一,Na,能不能让“万年单身狗”He“脱单”。这个国际团队,除了前述的5家中国科研机构外,还包括12家外国机构,它们来自美国、俄罗斯、意大利和德国。研究者们首先运用晶体结构预测软件USPEX计算Na-He结构在极端条件下的热力学稳定性,并预测出NaHe这个结构在160Gpa以上的压强下将比其他可能的化合结构具有更好的热力学稳定性。

计算不同压强下Na-He结构的热力学稳定性.webp.jpg


计算不同压强下Na-He结构的热力学稳定性。


为了验证这个猜想,研究者们在金刚石对顶砧装置上将钠载入氦媒介,把压强加到155Gpa,成功得到了一个全新的化合物:NaHe。这个钠氦化合物呈萤石(CaF)型结构,在压强超过113Gpa时能够保持稳定。在140Kpa下,实验发现NaHe的熔点要比纯Na要高。

所谓萤石型结构,是一种面心立方结构。由下图的球棍模型可以发现,He填充在8个Na组成的小立方体中心。那么,Na和He是靠什么连接在一起的呢?研究者发现,NaHe是一种电子晶体,并不是由传统意义上的化学键连接的。随着He插入到Na中,对电子云产生了推力,将共价电子对固定在特定区域,一种八中心两电子的稳定结构由此形成。


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CHU 的球棍模型。粉色球代表钠原子,灰色球代表氦原子。


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Na2He的多面体模型。Na8立方体一半被氦原子(图中的多面体)填充,一半被共价电子(图中的红点)填充。


目前,这个突破性的全新化合物还需要得到其他独立实验的重复验证。事实上,即使它被重复验证,暂时我们也很难看到它在实际生活中的用武之地——毕竟,113Gpa是个非常极端的条件。

这个研究最大的价值,在于又一次为我们展现了在一些极端条件下物质所产生的奇妙变化,这些奇妙变化要远远超出高中化学课本,属于一个我们可能难以想象的世界——譬如地球的最核心,或者外太空。

参与研究的犹他州州立大学学者Ivan Popov对媒体说道:“当施加高压时,化学会发生变化,这可以在地球内部或土星等其他行星上实现。但这绝对是一次改变教科书的创举。”

话题:
钠氦化合物
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